В первые годы после избрания главной заботой Михаила стало восстановление военной организации государства. Воссозданием его боевой мощи занялись Разрядный, Стрелецкий и Пушкарский приказы. В 120 городах были назначены новые воеводы, осадные и стрелецкие головы, проведены осмотр и ремонт крепостей, перепись военного имущества. Все это было крайне необходимо, ибо молодому царю приходилось вести войну на два фронта: с Речью Посполитой и Швецией, которые по-прежнему претендовали на российский престол. Затяжная борьба со шведами шла с переменным успехом: в наступлении в Новгородской земле и на Карельском перешейке удача сопутствовала шведской армии, а под Псковом, Тихвином, в Заонежье и Южном Беломорье – русской. В этих условиях самым оптимальным решением спорных вопросов было перемирие. Именно эту проблему вынес Михаил на обсуждение Собора в сентябре 1616 года. Необходимо было решить, в какой форме заключать со шведами мир: отдать ли деньги или города, обещанные им еще В. Шуйским. Коллективное мнение было единым: отдать города, так как денег в государстве нет. В результате заключенного в феврале 1617 года Столбовского мира Швеция возвратила России Новгород, Старую Руссу и другие города и уезды, а русская сторона уступила шведам Корелу, Копорье, Орешек, Ям и Ивангород. Таким образом, ценой потери выхода к Балтийскому морю Московское государство избавилось от военной угрозы одного неприятеля. Достигнуть мира со вторым оказалось сложнее: не обращая на слабые попытки Михаила вернуть в 1615 году Смоленск, польские войска под номинальным руководством королевича Владислава перешли в 1617—1618 годах в наступление на Москву. Однако взять ее приступом им не удалось. А вскоре ситуация в Речи Посполитой потребовала скорейшего возвращения королевича на родину, и поляки пошли на переговоры. В результате перемирия на 14,5 года, подписанного в селе Деулино, Россия вынуждена была уступить Польше Смоленск, Невель, Дорогобуж, Рославль, Почеп, Трубчевск и другие города, получив назад не менее значимые для страны Вязьму, Козельск, Мещовск, Серпейск, Стародуб, Новгород-Северский, Чернигов, Перемышль и Заволжье.
Поскольку перемирие было временным, «польские» проблемы вскоре вновь напомнили о себе. В руках у поляков оставались Смоленск и другие исконно русские земли, да и от претензий на русский престол королевич Владислав не думал отказываться. После разрыва в 1622 году дипломатических контактов с Речью Посполитой правительство царя Михаила начало фундаментально готовиться к войне: на службу стали принимать иностранных офицеров и солдат, Пушкарский приказ начал руководить отливкой пушек, ядер, закупать медь и серу, в помощь царю Михаилу английский король дал трехтысячный отряд и 40 тысяч рейхсталеров. А когда в 1632 году умер польский король Сигизмунд III и в Польше начался период междуцарствия, возникла благоприятная ситуация для возобновления против нее военных действий. К тому же поляки давали для этого очевидный повод: в нарушение договора 1618 года они заселили приграничные земли, стали грабить и избивать местных жителей. Поэтому 3 августа 1632 года 100-тысячная русская армия выступила в поход на запад. Так началась русско-польская война, получившая название Смоленской, результаты которой повлияли на всю внешнюю политику России на протяжении последующих двух десятилетий.
Сам Михаил был не охочим до ратного дела и «крови нежелательным», поэтому во главе войска поставил М. Б. Шеина. Очень скоро тому удалось вернуть России Дорогобуж, Белую, Себеж, Красный, Невель, Рославль и Почеп. Оставалось решить главную задачу этой войны – взять Смоленск. Однако справиться с ней не удалось, и виной тому, по мнению многих историков, стали действия главнокомандующего. Осада Смоленска, а затем отступление русской армии и заключение позорного для России мира – одна из исторических загадок того времени. Хроника событий говорит о том, что Шеин на протяжении полугодичной осады города не сделал ни одного решительного шага для его взятия. А тем временем армия его стала таять буквально на глазах: часть солдат унесли зимние холода и болезни, другая (казачья) под началом своих командиров ушла защищать свои родные места от набегов крымских татар.
Тем временем молодому и энергичному Владиславу не только удалось снять осаду Смоленска и вернуть Дорогобуж вместе с запасами продовольствия для русской армии, но и создать угрозу ее окружения. Шеин же вместо ответных действий предпочел ждать подкрепление. Это было его первым промахом. Созванный царем 28 января 1634 года Земский собор хотя и отправил окруженным в подкрепление новое войско под командованием Черкасского и Пожарского, изменить ситуацию уже не успел – время для контрнаступления было упущено. Но, даже не дожидаясь помощи, главнокомандующий начал переговоры с Владиславом о перемирии, согласно которому 16 февраля 1634 года сдал ему на унизительных условиях армию со всем оружием и боеприпасами. Требования, выставленные поляками, заключались в следующем: русская армия должна была оставить свои позиции под Смоленском и четыре месяца не воевать против Речи Посполитой, а все ее вооружение поступало в распоряжение противника. В условиях ведения войны их выполнение можно считать не чем иным, как явным предательством. Но самым позорным стало третье условие, по которому русская армия отошла со свернутыми знаменами и после троекратного салюта в честь польского короля бросила их на землю к ногам победителей, а Шеин и члены его штаба обнажили головы перед Владиславом.
Не случайно после такого «перемирия» главнокомандующего русской армии обвинили в измене. По царскому указу Шеина арестовали и после следствия казнили. Сегодня некоторые историки оспаривают факт его предательства. Оказывается, главнокомандующий действовал по указанию Филарета. Именно такое предположение высказал один из исследователей Смоленской войны, Б. Ф. Поршнев. Он считает, что патриарх хотел с помощью Шеина отвлечь основные силы поляков под Смоленск, чтобы дать возможность союзникам России – шведам начать активные боевые действия против Польши. Но разрыв русско-шведского союза, а затем смерть Филарета нарушили эти планы. По мнению Поршнева, царь Михаил знал о замысле отца и невиновности Шеина, но в связи с нараставшим в стране бунтом, вызванным неудачной войной, решил выставить его главным виновником. Думается, что такое утверждение противоречит всему ходу исторических событий. Ни царь, ни патриарх, ни правительство не тратили бы столько сил и средств на приобретение оружия и боеприпасов, содержание собственной армии и оплату наемных иноземных солдат, если бы всю военную кампанию строили только в надежде на военные силы Швеции. Умышленно наносить вред своей державе царь вряд ли мог еще и потому, что она теперь была его владением, передаваемым по наследству потомкам. А после сдачи Шеиным армии полякам он мог не только лишиться всего этого, но и царского престола в придачу. Поэтому по приказу Михаила была организована мобилизация всех патриотических сил в стране. Первым ее результатом стала мужественная оборона Белой отрядами под командой воеводы Волынского, которая не позволила Владиславу продвинуться в глубь страны. Тем временем на юге самой Речи Посполитой появился новый враг: там развернул активные боевые действия турецкий султан. В этих условиях польскому королю ничего не оставалось, как начать переговоры о мире с Россией.
В июне 1634 года был подписан Поляновский мирный договор. По его условиям, очень тяжелым для России, полякам были возвращены все города, отданные им до начала Смоленской войны, и выплачена контрибуция в 20 тысяч рублей. Но взамен Владислав раз и навсегда отказывался от своих прав на русский престол и признавал царский титул Михаила Романова, для которого это стало существенной победой, укреплявшей его положение на международной арене.
Одновременно с решением проблем с внешними врагами Михаил принимал все меры для снижения внутренней напряженности в стране, которую продолжали разорять отряды бывших сподвижников Тушинского вора. Они опустошили земли по Северной Двине, города Ромсанов и Углич. Только в конце 1613 года правительственным войскам удалось окончательно разбить разбойничьи отряды А. Лисовского. Тем временем войско атамана И. Заруцкого двинулось к Астрахани, где он планировал создать новое государство во главе с сыном Марины Мнишек. Более всего Михаил опасался влияния Заруцкого на неустойчивую среду вольного казачества. Воспрепятствовать этому должны были разосланные по всей стране правительственные грамоты, изобличающие «злодейство и неправды» атамана и призывавшие казаков не приставать к нему. Особая грамота была послана к жителям Астрахани, которым царь обещал, что если они «отстанут от воров», то он всех их простит. Для подкрепления обещаний донским и волжским казакам было послано царское жалованье, провиант и одежда. Но астраханцы и так были недовольны Заруцким, который особенно не жаловал православное духовенство: грабил монастыри, убивал служителей церкви, а из серебряного кадила Троицкого собора приказал сделать себе стремена. Такие действия вкупе с мерами правительства привели к тому, что казацкие отряды стали переходить на царскую службу. В мае 1614 года астраханцы восстали против новоявленных правителей и те вынуждены были бежать на реку Яик, но были схвачены и доставлены в Москву. Дальнейшая их судьба уже известна. Что же касается примыкавших к Заруцкому казаков, то они были прощены и взяты на царскую службу.
Если на юге страны обстановка стабилизировалась, то на севере все еще было неспокойно: в Вологодском, Каргопольском и Белозерском уездах отряды из местных жителей под командой атамана Баловня грабили и выжигали целые деревни. Михаил стремился погасить этот военный очаг мирным путем. 1 сентября по его инициативе в Ярославль была направлена делегация для переговоров с бунтарями. Она уведомила их, что царь не хочет воевать со своими подданными и готов простить им все «вины», если они оставят разбои и вместе с воеводой Л. Вельяминовым за хорошее вознаграждение примут участие в походе на Тихвин против шведов. Но далеко не все они «отстали от воровства». Против отрядов Баловня, которые сначала осадили Вологду, а потом подошли к Москве, летом 1615 года были брошены царские войска. Они разгромили их сначала у стен столицы, а потом под Малоярославцем. Но окончательной стабилизации обстановки в стране поспособствовали повсеместное определение вольных казаков на царскую службу с указанием формы оплаты и указ о переводе в вотчины поместий участников обороны Москвы, среди которых было немало представителей казачества. В результате к 1620 году в центральных районах России уже фактически не осталось вольных казаков.